配电网户外智能微机控制器的研究与应用

2018-04-15王彦

商品与质量 2018年41期

王彦

鄂尔多斯电业局伊金霍洛供电分局内蒙古鄂尔多斯 017200

机电一体化的断路器是配电网中的重要元件。为了提高其可靠性，保证配电网的安全运行，在实现变电站自动化和无人值守时，将微机保护、远动和测量等自动化功能就地分散到开关设备上，并对其本身的主要参数进行在线检测，结合人工智能专家系统进行在线故障诊断，使之成为智能化断路器，是高压开关设备一个崭新的发展方向[1]。

1 智能化单元的总体结构

智能化单元是智能断路器的核心部分，主要完成信号检测、测量、保护、控制与保护动作出口、故障诊断与报警，并将实时参数远传至监控主机供其集中管理与监控，并可进行更高级和复杂的专家系统诊断。它直接安装于断路器内的小间隔内。由于户外断路器运行环境恶劣，处于强电磁干扰、强振动环境下，为保证其工作的可靠性，单元外壳需采用多重金属密闭防护结构。

智能化单元内部结构如图1所示，其中MCU为高性能的Inte187C196KC—16/20。为记录故障发生前后波形，外扩一片62256（32KB×8）。MAX197A为单电源、多量程、八路输入带内部采样/保持、时钟、基准电压的信号采集系统，转换时间6.0μs。X25043将Watchdog定时器、上电复位控制器与512BE2PROM集成到单个芯片内，MAX487E为128路RS-485驱动器。其他部分由ATF1500可编程逻辑阵列实现。该硬件结构为开放式，对配电网各点的不同要求（如辐射点、环网点、电流型、电压型），微机控制器的硬件软件完全一致，可以互换，不同功能可以通过软件开关设置。

图1 智能化的单元硬件结构

电气电路采用多级隔离，并设二级Watchdog电路提高抗干扰性能。第一级为MCU内置WDT电路，可以防止程序偶尔锁死，在MCU本身正常的情况下，自动恢复工作。第二级为X25043提供的外置WDT电路，在第一级失效时（尤其是MCU本身已经损坏的情况下）强行复位，并封锁输出电路，保证在MCU故障时开关不会误动作。

2 断路器参数的在线检测

断路器的参数分为电力系统的参数和断路器本身的参数两部分，电力系统的参数主要包括常规的测量与保护信号，如电流、电压、频率、有功功率和无功功率等，用以反映负荷情况。断路器本身的参数包括母线连接处温度、脱扣回路断线、机构动作时间、弹簧储能时间、真空灭弧室真空度或SF6气体压力、温度与湿度等，用以反映断路器本身的运行状况[2]。

2.1 本体参数的检测

（1）母线连接处温度。母线连接处通过大电流，若接触不良会导致该处温度不正常升高，危及断路器的可靠运行。在此采用LM35集成温度传感器、LM331电压/频率变换器，由87C196KC的T2CLK进行计数，定时读入计数值，再换算成温度值。（2）操作机构性能。及时发现断路器操作机构的潜在危险，有利于配电网的安全运行，消除隐患。操作机构性能的在线检测可利用断路器的位置辅助接点、弹簧储能辅助接点或脱扣回路串入电阻，经光电隔离进入开关量输入电路，由CPU进行定时计数，与规定值比较，如差异大，则告警或发信号至监控中心。（3）内部温度湿度。为了反映断路器的工作环境，需检测其内部温度和湿度。一般用相应的传感器与配套电路来实现。信号经光电耦合与V/f转换后，再由MCU计数。

2.2 电力参数的检测

信号来自电流互感器TA和电压互感器TV，为了实现故障录波与有功、无功功率计算等功能，需直接交流采样。在本智能化开关控制器中，采用图1所示电路对有关参数进行检测。由于电流测量与电流保护信号取自不同的TA，其精度范围与精度等级不同，需采用各自的二次变换器，从不同的A/D通道送入微机。由于微机对所有信号巡回检测，通道之间必然存在延迟，为保证功率计算准确，必须保持同一瞬时的电流电压值，因此采用四个采样/保持器。另外，小电流接地系统中，零序TA来的电流信号极小，故从测量传感器中输入并多绕几圈，可以保证对毫安级电流信号的反应能力。

3 故障诊断系统

控制器的软件算法采用小电流接地系统中用作保护算法的积分法，其依据是正弦量的半周绝对值积分正比。智能单元内部实现的在线诊断，主要是为了提高对一些严重故障的快速反应。其他的复杂的诊断为上位主机定时收到各智能单元上传各类参数后进行离线分析，用以消除隐患。本系统采用的故障诊断软件。当负荷过大，触点温度过高，真空度或SF6气体压力过低，操作机构动作时间异常，分闸回路断线以及断路器运行环境恶化等现象出现，控制器均应发出预告信号，提示检修，消除事故隐患，以免扩大成灾难性事故。而对于断路器外部如线路故障等，能记录事故波形，且每次动作均有详细的SOE记录，运行人员可以全面了解其动作过程。通过离线分析软件，计算各谐波分量与故障位置，以便快速查找事故原因与事故定位[3]。